java nio剖析

java nio 的全称是 java new I/O ，即一个全新的 I/O 控制系统，它的 API 的包名为 java.nio ，是在 jdk1.4 后引入的。

nio 之所以为为新，在于它并没在原来 I/O 的基础上进行开发，而是提供了全新的类和接口，除了原来的基本功能之外，它还提供了以下新的特征：

        ►  多路选择的非封锁式 I/O 设施

         ► 支持文件锁和内存映射

        ► 支持基于 Perl 风格正则表达式的模式匹配设施

        ► 字符集编码器和译码器

        为了支持这些新的功能， nio 使用了两个新的概念：

          1. 信道 (channel)

               信道是一个连接，可用于接收或发送数据，如文件和套接字。因为信道连接的是底层的物理设备，他可以直接支持设备的读 / 写，或提供文件锁。对于文件、管道、套接字都存在相应的信道类。可以把信道看成是数据流的替代品。信道没有包装类，提高了性能。

             所有的信道类都位于 java.nio.channels 包中。

         2. 缓冲区 (buffer)

               缓冲区是一个数据容器。可以把它看做内存中的一个大的数组，用来存储来自信道的同一类型的所有数据，因此，程序员可以使用字节、字符、整数等缓冲区。字节缓冲区提供必要的方法，可以提取或存入所有基本类型 (boolean 型除外 ) 的数据。 

              buffer 类的核心是一块内存区，便于核心代码和 java 代码同时访问，核心代码可以直接访问它， java 代码可以通过 API 访问它。

             缓冲区基本上是一块内存区域，因而可以执行一些与内存有关的操作，如清除其中的内容，支持读写或只读操作等。

             所有的 buffer 类都位于 java.nio 包中。

        下面看如何使用它们：

1.      使用信道

在信道的使用中，文件的信道是最具有代表性的， API 也是最多的，下面我们以文件信道为例介绍它。

●     获取文件信道

文件的信道的类为FileChannel,遗憾的是他并没有向我们提供打开文件的方法，我们可以通过调用FileInputStream、FileOutputStream和RandomAccessFile类实例的getChannel()方法来获取其实例。例如：

RandomAccessFile raf = new RandomAccessFile(“data.txt”, “rw”);

FileChannel fc = raf.getChannel();

请注意，这里打开文件的方式如”rw”将适用于文件信道，FileInputStream实例的getChannel()方法所获得的通道将允许进行读取操作。通过FileOutputStream的getChannel方法所获得的通道将允许进行写入操作。最后，如果使用模式 "r" 创建 RandomAccessFil的实例，则通过该实例的getChannel()方法所获得的通道将允许进行读取操作，如果使用模式 "rw" 创建实例，则获得的通道将允许进行读取和写入操作。

●    从信道读取数据

读取的数据会默认放到字节缓冲区中。

FileChannel提供了四个API读取数据：

a.    read(ByteBuffer dst) 将字节序列从此通道读入给定的缓冲区

b.   read(ByteBuffer[] dsts) 将字节序列从此通道读入给定的缓冲区

c.    read(ByteBuffer[] dsts, int offset, int length)
          将字节序列从此通道读入给定缓冲区的子序列中

d.    read(ByteBuffer dst, long position)
          从给定的文件位置开始，从此通道读取字节序列,并写入给定的缓冲区

●    向信道写入数据

数据来源默认是字节缓冲区。

FileChannel 提供了四个 API 写入数据：

a. write(ByteBuffer src)
          将字节序列从给定的缓冲区写入此通道

b. write(ByteBuffer[] srcs)
          将字节序列从给定的缓冲区写入此通道

c. write(ByteBuffer[] srcs, int offset, int length)
          将字节序列从给定缓冲区的子序列写入此通道

d. write(ByteBuffer src, long position)
          从给定的文件位置开始，将字节序列从给定缓冲区写入此通道

             ● 使用文件锁

               文件锁机制主要是在多线程同时读写某个文件资源时使用。

               FileChannel 提供了两种加锁机制，lock和tryLock,两者的区别在于，lock是同步的，

               直至成功才返回，tryLock是异步的，无论成不成功都会立即返回。

            ● 使用内存映射

                 FileChannel 提供的的 API 为：

                 MappedByteBuffer map(FileChannel.MapMode mode,   long position, long size);

                      映射模式一个有三种：

                      a.只读： 试图修改得到的缓冲区将导致抛出 ReadOnlyBufferException .(MapMode.READ_ONLY)

          b.读 /写： 对得到的缓冲区的更改最终将传播到文件；该更改对映射到同一文件的其他程序不一定是可见的。 ( MapMode.READ_WRITE)

                      c.专用 ： 对得到的缓冲区的更改不会传播到文件，并且该更改对映射到同一文件的其他程序也不是可见的；相反，会创建缓冲区已修改部分的专用副本。 ( MapMode.PRIVATE)

2.      使用缓冲区

●     层次结构

所有缓冲区的基类都是Buffer,除Boolean类型外，其它数据类型都有对应的缓冲区类，

另有一个ByteOrder类，用来设置缓冲区的大小端顺序，即BigEndian或者是LittleEndian，

默认情况下是BigEndian。其层次结构图如下：

●     获取缓冲区对象

一共有两种类型的缓冲区，直接缓冲区和非直接缓冲区，两者区别在于直接缓冲区上的数据操作，

虚拟机将尽量使用本机I/O,并尽量避免使用中间缓冲区。判断一个缓冲区是否是直接缓冲区，

可以调用isDirect()方法。

有三种方式来获取一个缓冲区的对象：

a.      调用allocate()或者allocateDirect()方法直接分配，其中allocateDirect()

返回的是直接缓冲区。

b.      包装一个数组，如：

byte[] b = new byte[1024];

ByteBuffer bb = ByteBuffer.wrap(b);

c.       内存映射，即调用FileChannel的map()方法。

●     缓冲区基本属性

这几个属性是每个缓冲区都有的并且是常用的操作。

a.     容量(capacity),缓冲区大小

b.      限制(limit),第一个不应被读取或写入的字节的索引，总是小于容量。

c.       位置(position)，下一个被读取或写入的字节的索引，总是小于限制。

d.      clear()方法：设置limit为capacity，position为0。

e.      filp()方法：设置limit为当前position，然后设置position为0。

f.        rewind()方法：保持limit不变，设置position为0。

●     缓冲区数据操作

操作包括了读取和写入数据两种。

读取数据使用get()及其系列方法，除boolean外，每一种类型包括了对应的get()方法，

如getInt(),getChar()等，get()方法用来读取字节，支持相对和绝对索引两种方式。

写入数据使用put()及其系列方法，和get()方法是对应的。

           下面这个例子演示了如何使用缓冲区和信道：

   
   
   
   
 
    
 
      
     package 
      nio;

 
     import 
      java.io.FileInputStream;
 
     import 
      java.io.FileOutputStream;
 
     import 
      java.nio.ByteBuffer;
 
     import 
      java.nio.channels.FileChannel;

 
     public 
       
     class 
      BufferDemo  
     ... 
     {

    
    public static void main(String[] args) throws Exception...{
        //分配一个非直接缓冲区
        ByteBuffer bb = ByteBuffer.allocate(100);
        //向缓冲区写入0到100的字节制
        for(int i = 0; i <100; i++)...{
            byte b = (byte) (Math.random() * 100);
            bb.put(b);
        }
        
        System.out.println("写入文件前的缓冲区数据");
        bb.flip();
        while(bb.hasRemaining())
            System.out.print(bb.get() + " ");
        System.out.println();
        
        //获取一个关联到文件buffer.txt的信道
        FileChannel fc = new FileOutputStream("buffer.txt").getChannel();
        //将缓冲区数据写到文件中
        bb.flip();
        fc.write(bb);
        //防止缓存
        fc.force(true);
        //关闭信道
        fc.close();
        bb = null;
        fc = null;
        
        //下面从文件中读取数据
        fc = new FileInputStream("buffer.txt").getChannel();
        ByteBuffer bb2 = ByteBuffer.allocate((int) fc.size());
        fc.read(bb2);
        System.out.println("从文件读取的缓冲区数据");
        bb2.flip();
        while(bb2.hasRemaining())
            System.out.print(bb2.get() + " ");
        System.out.println();
        fc.close();
        bb2 = null;
        fc = null;
        

    }

} 
     
 
    
 
   

         3．视图缓冲区

         上面我们的缓冲区都是基于字节的，像IntBuffer、LongBuffer等这些都可以调用ByteBuffer的

         as***Buffer(***表示某个数据类型)得到，所以这种类型的缓冲区又被称为视图缓冲区(View Buffer),

       视图缓冲区有以下特点：

a.     视图缓冲区有自己独立的position和limit，但它不是一个新的创建，只是原来字节缓冲区的一个逻辑缓冲区，字节缓冲区的任何修改都会影响视图缓冲区，反之亦然。

b.      视图缓冲区按照数据类型的大小进行索引，而不是字节顺序。

c.       也提供了put()和get()及其系列方法，用于数据的整块传输。

       下面这个例子演示了视图缓冲区：

   
   
   
   
 
    
 
      
     package 
      nio;

 
     import 
      java.io.FileInputStream;
 
     import 
      java.nio.ByteBuffer;
 
     import 
      java.nio.IntBuffer;
 
     import 
      java.nio.channels.FileChannel;

 
     public 
       
     class 
      ViewBufferDemo  
     ... 
     {

    public static void main(String[] args) throws Exception...{
        
        //将文件内容读到缓冲区中
        FileChannel fc = new FileInputStream("buffer.txt").getChannel();
        ByteBuffer bb = ByteBuffer.allocate((int) fc.size());
        fc.read(bb);
        fc.close();
        fc = null;
        
        System.out.println("从文件读取的字节缓冲区数据");
        bb.flip();
        while(bb.hasRemaining())
            System.out.print(bb.get() + " ");
        System.out.println();
        
        //获取视图缓冲区
        bb.flip();
        IntBuffer ib = bb.asIntBuffer();
        System.out.println("将字节缓冲区作为整形缓冲区的数据");
        while(ib.hasRemaining())
            System.out.print(ib.get() + " ");
        System.out.println();
        
        bb = null;
        ib = null;
        
    }

} 
     
 
    
 
   

       4．映射内存缓冲区

         调用信道的map()方法后，即可将文件的某一部分或全部映射到内存中，映射内存缓冲区是一

         个直接缓冲区，继承自ByteBuffer,但相对于ByteBuffer,它有更多的优点：

a.     内存映射I/O是对信道/缓冲区技术的改进。 当传输大量的数据时，内存映射I/O

速度相对较快，这是因为它使用虚拟内存把文件传输到进程的地址空间中。

b.      映射内存也成为共享内存，因此可以用于相关进程(均映射同一文件)之间的整块数据

传输，这些进程甚至可以不必位于同一系统上，只要每个都可以访问同一文件即可。

c.       当对FileChannel执行映射操作，把文件映射到内存中时，得到的是一个连接到文件的

映射的字节缓冲区，这种映射的结果是，当输出缓冲区的内容时，数据将出现在文件中，

当读入缓冲区时，相当于得到文件中的数据。

        下面这个例子演示了映射内存：

   
   
   
   

    
    
    
    
 
      
     package 
      nio;

 
     import 
      java.io.FileInputStream;
 
     import 
      java.io.FileOutputStream;
 
     import 
      java.nio.MappedByteBuffer;
 
     import 
      java.nio.channels.FileChannel;

 
     public 
       
     class 
      CopyFile  
     ... 
     {

    public static void main(String[] args) throws Exception ...{

        FileChannel fIChan, fOChan;
        MappedByteBuffer mBuf;

        fIChan = new FileInputStream("buffer.txt").getChannel();
        fOChan = new FileOutputStream("bufferTemp.txt").getChannel();

        mBuf = fIChan.map(FileChannel.MapMode.READ_ONLY, 0, fIChan.size());

        fOChan.write(mBuf);

        fIChan.close();
        fOChan.close();
        
        fIChan = null;
        fOChan = null;
        mBuf = null;

    }

}